“La ciencia no te resuelve la vida, pero te enseña a vivir con ella de una forma extraordinariamente fascinante”. A Jesús Martín, uno de los “padres” de la Relatividad en España, le gusta “copiar” esta frase y recordarnos que la Ciencia siempre acaba teniendo aplicación: “Cuando usamos, por ejemplo, el MP3 o un lector de DVD, no nos damos cuenta de que detrás está la Relatividad, y no digamos cuando utilizamos un GPS, que no sería nada si no se aplicaran las teorías de Einstein.” Este investigador, catedrático de la Universidad de Salamanca, ha participado en los Encuentros Relativistas Españoles 2007 que, organizados por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), se han venido celebrando, a lo largo de esta semana, en el Centro de Congresos del Puerto de la Cruz (Tenerife). Nadie mejor que este físico, que organizó en 1976, en la Universidad Autónoma de Madrid, la primera edición de estas reuniones -conocida como “Encuentro 0”-, para valorar el desarrollo de la Relatividad en nuestro país. “Creo que la Relatividad en España y estas reuniones han ido evolucionando estupendamente, porque en los orígenes, hace treinta años, éramos muy pocos y ahora organizamos congresos internacionales importantes.” Como prueba de ello, a los Encuentros 2007 han asistido cien expertos de los cinco continentes.
Apuesta técnica
¿Qué no sabemos de Relatividad?, se han preguntado los científicos reunidos en Tenerife. “Afortunadamente, queda mucho por saber”, responde Martín con humor. “Pero, fundamentalmente –añade-, está el tema de las ondas gravitatorias, que aún no se han detectado de forma directa.” Al respecto ha habido varias intervenciones, como la de Clifford M. Will, de la Universidad de Washington (EEUU), y Alicia Sintes, de la Universidad de las Islas Baleares (ver notas de prensa y entrevistas anteriores). Emilio Falco, del Observatorio Astrofísico Smithsoniano (EEUU), comenta al respecto: “Apostaría dinero a que en menos de diez años detectaremos ondas gravitatorias. Las tenemos que encontrar sí o sí, porque sabemos que hay procesos astrofísicos, tales como los colapsos de dos estrellas de neutrones o de estrella de neutrones y agujero negro, que si entendemos algo de esas estrellas tienen que generar ondas gravitatorias. La detección será posible mejorando la sensibilidad de los equipos”. Este astrofísico, haciendo un análisis de cómo ha transcurrido el “tiempo” a lo largo de esta semana, destaca las cuestiones “esotéricas” –la Relatividad General es así- que se han planteado en estos Encuentros, a los que él, como observador, asiste para informarse de los trabajos teóricos que puedan tener una predicción observable. “Es ahí donde se juegan las teorías. Y ese es nuestro negocio: tratar de comprobar o rechazar las teorías”.
Lentes gravitatorias
Otro de los temas abordados en estos Encuentros fueron las lentes gravitatorias. De ellas hablaron Emilio Falco, coautor del libro de referencia sobre estos fenómenos, y Peter Schneider, del Instituto Argelander de Astronomía (Alemania), editor de la revista científica Astronomy and Astrophysics y uno de los más conocidos especialistas en este camnpo.
El efecto de lente gravitatoria fue una de las primeras predicciones de la teoría de la Relatividad General. Parte de que los campos gravitatorios de algunos objetos podrían desviar los rayos de luz procedentes de un cuerpo lejano, generando más de una imagen del mismo. Estos sistemas de imágenes múltiples, conocidos como espejismos gravitatorios o lentes gravitatorias, se producen generalmente cuando una gran concentración de masa (una galaxia o un cúmulo de galaxias) está situada cerca de la línea de visión de una fuente luminosa distante, casi siempre un cuásar. En este caso, la luz que viaja entre la fuente y el observador puede, debido a la influencia gravitatoria, seguir diferentes trayectorias, produciendo ‘varias imágenes’ amplificadas de la fuente. La concentración de masa actúa, por tanto, como una lente sobre los rayos de luz que proceden de la fuente.
“Las lentes gravitatorias tienen propiedades muy útiles como herramienta cosmológica –subraya Falco- porque se pueden medir parámetros como la constante de Hubble, que es una medida del tamaño del Universo. Y estamos lográndolo finalmente, aunque requiere bastante trabajo”. Falco trabaja en el llamado “efecto de lente fuerte” (strong lensing), mientras que Peter Schneider investiga el “efecto de lente débil” (weak lensing). “En este segundo caso –explica Falco-, no se ven imágenes múltiples, sino muy pequeñas distorsiones de las formas y los tamaños de las imágenes de las galaxias. Esa distorsión ocurre debido al efecto lente, pero de forma estadística. A lo largo de la trayectoria, desde una galaxia lejana hasta nosotros, hay muchas concentraciones de masa, entre ellas materia oscura, y se puede utilizar ese efecto de forma estadística para medir también parámetros cosmológicos. Además de la constante de Hubble, se puede medir la ecuación de estado de la nueva energía oscura, que es la responsable –se piensa- de la aceleración de la expansión del Universo y, por tanto, otro parámetro cosmológico de gran interés.”
“En el caso de efecto de lente débil –aclara Falco-, es técnicamente muy difícil la detección porque se habla de un efecto de 1 ó 2% en las distorsiones de las imágenes de las galaxias, muy susceptible a ruido en las mediciones, por lo que hay que tener mucho cuidado para lograr extraer una señal. Se puede hacer estadísticamente midiendo millones de galaxias, cubriendo una gran superficie en el cielo. La parte técnica se ha venido solucionando en los últimos años y se ha demostrado que se puede extraer esta señal de weak lensing. Para ello se necesitan telescopios lo más grandes posibles. De ahí que el Gran Telescopio CANARIAS (GTC) puede contribuir mucho al respecto, cuando empiece a funcionar de forma regular. Hasta ahora se han utilizado una serie de telescopios de tierra en Hawai, como el de Canadá de 4 m o el Subaru de 8 m. También se ha usado el Telescopio Espacial Hubble, pues al estar fuera de la atmósfera evita los problemas de ruido en las medidas.”
Actualmente –informa Falco-, para observar lentes gravitatorias hay dos nuevos proyectos en marcha: “Uno es PAN-STARRS, un telescopio visible sinóptico que hará observaciones continuas de todo el cielo que cubra el telescopio y que repetirá esas observaciones cada 4 ó 5 noches. Ya ha empezado a funcionar con un prototipo de 1,8 m, aunque se planea instalar cuatro de estos telescopios. Otro telescopio sinóptico, el LSST, se instalará en Chile, pero en este caso tendrá un diámetro de 8,5 m. Estos dos instrumentos van a revolucionar las mediciones que se puedan hacer desde tierra, no sólo por ser muy estables y de excelente calidad óptica, sino principalmente por la capacidad de repetir las observaciones cada tantas noches. Ello permitirá medir la variabilidad, una propiedad intrínseca de los cuásares, esencial para descubrir muchas más lentes. Ahora se conocen unas 100, pero con estos telescopios se descubrirán miles de lentes gravitatorias.”
Explosiones de rayos gamma
La Relatividad parece siempre conectada con fuentes muy energéticas y procesos violentos en el Universo. Xavier Barcons analizó en estos Encuentros la conexión entre campos gravitatorios muy fuertes y efectos relativistas, entre Astronomía de rayos X y las teorías de Einstein (ver entrevista), mientras que Tsvi Piran, de la Universidad Hebrea de Israel, habló de las Explosiones de Rayos Gamma y de su relación con la Relatividad. Estas explosiones, conocidas por las siglas GRB, “son explosiones cosmológicas cortas e intensas de rayos gamma, con rangos de energía de decenas de kiloelectronvoltios hasta gigaelectronvoltios, y posiblemente mayores. Son los objetos electromagnéticos más brillantes del Universo. Y las observaciones astronómicas pueden ayudar a explorar los límites de estos violentos fenómenos”, explica Piran. Gracias al telescopio espacial Swift, de la NASA, ha habido una detección sistemática de estas explosiones de rayos gamma. Dado que estos fenómenos ocurren de forma aleatoria en el cielo, hay que observar continuamente para poder detectarlos. El satélite, tras descubrir una explosión, envía a tierra la señal para que los telescopios terrestres pueden estudiar el efecto que las GRB producen a su alrededor. No se detectan rayos gamma, pero estos rayos, como dice Piran, “calientan el entorno”, y ese calentamiento es muy fuerte, pudiéndose detectar el efecto desde tierra. Así se han encontrado dos tipos de GRB, dependiendo de si se producen a partir de un colapso de estrellas de neutrones o como resultado de una supernova o hipernova, campos de investigación en los que se está evolucionando muy rápidamente.
Cuestiones cosmológicas
“La cosmología ha dejado de ser una ciencia teórica para ser una ciencia observacional”, afirma Fernando Atrio, de Universidad de Salamanca. “Estamos alcanzando –advierte este investigador- un grado de precisión lo suficiente alto como para que los datos permitan probar las teorías a nivel fundamental. Es decir, modificaciones de la Relatividad General, modificaciones en el número de dimensiones, en modelos con cinco o más dimensiones y correcciones de todo orden…, en especial, la naturaleza de la energía oscura, la naturaleza de la materia oscura y el acoplamiento entre ellas, es decir, si materia oscura y energía oscura son el mismo objeto, que derivan del mismo campo escalar, con propiedades muy diferentes de la materia normal, o si son objetos completamente distintos. Y los datos ya nos están permitiendo decir y restringir de manera efectiva muchos modelos. Lo que antes era simplemente pura especulación, ahora empieza a tener una base observacional más sólida”. Fernando Atrio, que hizo la tesis en la Universidad de La Laguna y fue investigador del IAC, atribuye a este centro de investigación un papel “pionero” en este campo, en el sentido de que “toma datos”. “Hoy, el Instituto de Astrofísica de Canarias es un instituto lo suficientemente grande y con la suficiente masa crítica como para abordar campos muy diversos. Desde un punto de vista cosmológico puede hacer surveys de galaxias, hay experimentos de observaciones del fondo de microondas que se están mejorando, se buscan medidas de la polarización de este fondo que directamente mide la contribución de las ondas gravitatorias en las anisotropías de la radiación de fondo… Es un tema muy caliente para años futuros y el IAC va a contribuir, como ya hizo en el pasado, midiendo desde tierra y viendo cuáles son las posibilidades de las posteriores medidas que se hagan desde satélite. En definitiva, que el IAC empieza a tener medios observacionales suficientemente apropiados para abordar problemas de gran importancia cosmológica.”
Por último, la gran interconexión entre la teoría y la experimentación no puede dejar de lado el aumento espectacular en la potencia de los ordenadores. Así lo puso de manifiesto Carles Bona, de la Universidad de las Islas Baleares, especialista en lo que se denomina “Relatividad numérica”, es decir, las simulaciones realistas que han de tenerse en cuenta en el diseño de experimentos y análisis de observaciones.
“El propósito de esta reunión ha sido arrojar más luz sobre el Universo, y en este sentido ha sido un muy efectiva”, concluye Álex Oscoz, organizador de estos Encuentros, cuyas actas serán publicadas por EDP Sciences en las ESA Publications Series.
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